（通信与信息系统专业论文）wcdma+hsupa业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究.pdf

摘要 w c d m ah s u p a 技术是一项能够提高w c d m a 上行数据传输速率和系统容 量的无线接入技术。在h s u p a 技术中为了达到物理层上行峰值比特速率，采用极 小的扩频因子进行物理信道扩频。由于扩频增益较小，扰码的部分自相关特性不 理想，造成码间干扰( i s i ) 不能被有效抑制，所以传统的r a k e 接收机的性能不 能满足3 g p p 系统的要求。本文在传统r a k e 接收机算法基础上采用了一种改进 的上行接收机来恢复多码信道的正交性、消除码间干扰，以达到较高的上行接收 性能。本文的主要研究工作和研究结果集中在以下几方面： l 、讨论了w c d m ar 9 9 技术中上行r a k e 接收机中的信道估计算法和多径 合并算法。给出了w c d m a r 9 9 上行r a k e 接收机整体设计框图，详细的探讨了 信道估计和多径合并技术。推导了在w c d m a 上行链路中信道估计与信道补偿算 法和多径合并m r c 算法的实现公式，并对信道估计算法单时隙算法和w m s a 算 法在不同的信道环境下的性能进行了仿真分析。 2 、研究了一种改进的r a k e 接收机。在继承w c m d ar 9 9 采用的传统r a k e 接收机算法基础上采用了将干扰抵消与r a k e 接收机相结合的i c r a k e 接收机， 给出了i c r a k e 接收机框图，并研究了主要模块的算法设计。 3 、仿真了i c r a k e 接收算法性能。仿真了传统r a k e 接收机、一阶i c r a k e 接收机和二阶i c r a k e 接收机，仿真结果表明i c r a k e 接收机算法比传统r a k e 接收机有明显的性能提高。 关键词：h s u p ar a k e 接收机信道估计 i c r a k e a b s w a c t w c d m ah s u p ai sak i n do fr a d i oa c c e s st e c h n o l o g yw h i c hc a np r o v i d eh i g h e r u p l i n kb i tr a t ea n dc a p a c i t y i no r d e rt or e a c ht h ep e a kb i tr a t ei nu p l i n ko fp h y s i c a ll a y e r , e x t r e m e l yl o ws p r e a d i n gf a c t o ri sa p p l i e di nh s u p a m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ec a nn o tb e s u p p r e s s e de f f e c t i v e l yb e c a u s eo fw e a kp a r t i a la u t o c o r r e l a t i o no fs c r a m b l i n gc o d ea n d l o ws p r e a d i n gg a i n t h u s ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e rc a n tm e e t t h er e q u i r e m e n to f3 g p ea ni m p r o v e du p l i n kr e c e i v e ra r c h i t e c t u r eb a s e do n c o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e ri s p u tf o r w a r d t oe l i m i n a t ei s ia n dr e c o v e rt h e o r t h o g o n a l i t yo fm u l t i c o d ec h a n n e l t h em a i ns t u d i e sa n d r e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 t h ea l g o r i t h mo fc h a n n e le s t i m a t i o na n dm r cf o ru p l i n kr a k er e c e i v e ri n w c d m ar 9 9i sd i s c u s s e d t h es y s t e mm o d e lo fu p l i n kr a k er 喇v e ri nw c d m a r 9 9i sd e s i g n e d a n dt w ok e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gc h a n n e le s t i m a t i o na n d m u l t i - p a t h c o m b i n a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ef o r m u l af o ri m p l e m e n t a t i o no fc h a n n e l e s t i m a t i o na n dc h a n n e lc o m p e n s a t i o ni nw c d m au p l i n ki sd e r i v e d m o r e o v e r , t h e s i n g l es l o ta v e r a g ea n dt h ew e i g h t e dm u l t i s l o ta v e r a g i n ga l g o r i t h mi ss i m u l a t e da n d a n a l y z e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n 2 t h ea r c h i t e c t u r eo fa ni m p r o v e dr a k er e c e i v e ri ss t u d i e d i c - r a k ec o m b i n i n g t h ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw i t hr a k er e c e i v e ri s d e v e l o p e d i ti s b a s e do n c o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e ra r c h i t e c t u r ee m p l o y e di nw c d m ar 9 9s y s t e m t h e d e s i g nm o d e lf o ri c r a k ei sp r e s e n t e d ，a n da l g o r i t h m sf o rm a i nm o d e l sa r es t u d i e d 3 t h ep e r f o r m a n c eo fi c - r a k ei ss i m u l a t e da n dc o m p a r e d t h es i m u l a t i o n i n c l u d e sc o n v e n t i o n a lr a k er e c e i v e r , i c - r a k eu s i n go n es t a g ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ，a n di c - r a y u s i n gt w os t a g ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 。a ss i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w , i c - r a k eh a sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o n v e n t i o n a lr a k er c c e i v e r k e y w o r d ：h s u p a r a k er e c e i v e r c h a n n e le s t i m a t i o ni c - r a k e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和 致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蛙 日期：翌兰：! ，王 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究的课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后使用本授权书。 本人签名：尘坠翠 日期：兰盟2 导师签名：值 日期：磁2 ：? 厶 第一章绪论 第一章绪论 移动通信经历了第一代模拟技术、第二代数字移动通信后，为多媒体通信而 设计的第三代移动通信( 3 g ) 已经如火如荼的成为未来移动通信领域的主要发展 热点。第三代移动通信的三大标准：t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 中， w c d m a 技术已经成为最被广泛研究与关注的主流标准【，其规范在3 g p p ( t h e3 们 g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 中制定，w c d m a 技术分两种不同制式的空中接口 技术：w c d m a - f d d 和w c d m a - t d d ，前者采用频分双工方式，后者采用时分 双工方式。其中w c d m a f d d 是被全世界最广泛采用的3 g 标准，本文所研究的 课题是围绕w c d m a - - f d d 技术展开的。本文后续部分采用w c d m a 术语表示 w c d m a f d d 。 1 1w c d m a 技术概述及发展现状 w c d m a 制式的主要技术特点i l 】： ( 1 ) w c d m a 是一个宽带直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 系统，采用 了可变扩频因子和多码传输，支持最高速率达2 m b i t s ，采用h s d p a ( h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ) 技术下行速率理论上最高可达1 0 1 4 m b i t s ，平均可提供l 一3 m b i t s 下行速率。 ( 2 ) 码片速率3 8 4 m c h i p s ，载波带宽大约5 m h z 。w c d m a 所固有的较宽的 载波带宽使其能支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势，例如 可以采用增强的多径分集能力。 ( 3 ) w c d m a 支持各种可变的用户数据速率。在每个1 0 m s 无线帧内，用户数 据速率是固定的，但是帧之间用户速率是可变的。这种快速的无线容量分配由网 络层来控制，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。 ( 4 ) w c d m a 基站支持异步方式，与i s 9 5 系统不同，不需要使用一个全局时 间参考量，比如g p s 。这样室内小区和微小区基站的布站就变得简单了，组网更灵 活。 ( 5 ) w c d m a 在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干 检测。 ( 6 ) w c d m a 系统中采用上下行快速闭环功率控制，功控时间间隔最短以一 个时隙为单位，即1 5 0 0 次秒( 1 s k h z ) ，能更快响应信道的变化，最大化系统容量。 下面介绍w c d m a 的网络结构，因为本文研究的课题是w c d m a 网络无线接入 2 w c d m a h s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 网部分，因此下面给出u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c o 嚣sn e t w o r k ) 网络结构 如图1 】所示【2 】= 田11l r f r a n 结构 u t r a n 通过i u 接口与核心网( c n ) 相连，u t r a n 包含一个或多个无线网络 子系统( r n s ) ，每个r n s 都是u t r a n 内的一个子网，它包含一个无线网络控制器 ( r n c ) ，一个或者多个基站( n o d e b ) 。r n c 通过h 接口彼此互连，r n c 与n o d e b 之间通过l u b 接口相连。移动终端( u e ) 与u t r a n 之间通过空中接口u u 口相连。 r n c 是负责控制u 仲州无线资源的网元，n o d e b 的主要功能是进行空中接口物理 层处理，如信道编码和交织，速率匹配，扩频等，它也执行一些基本的无线资源 管理工作，例如内环功率控制。 w c d m a 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动。g s m 的巨大成 功对第三代系统在欧洲的标准化产生了重大影响。欧洲于1 9 8 8 年开展r a c ei ( 欧 洲先进通信技术的研究) 项目，并一直延续到1 9 9 2 年6 月。1 9 9 2 1 9 9 5 年问欧洲开 始了r a c e i i 项目。a c t s ( 先进通信技术和业务) 建立于1 9 9 5 年底，为u m t s ( 通 用移动通信系统) 建议了f r a m e s ( 未来无线宽带多址接人系统) 方案。日本于 1 9 9 3 年在a i k l b 中建立研究委员会进行3 g 的研究和开发，并通过评估将c d m a 技 术作为3 g 的主要选择。日本运营商n t td o c o m o 在1 9 9 6 年推出了一套w c d m a 的 实验系统方案，并得到了当时世界上主要移动设备制造商的支持。1 9 9 8 年1 2 月成 立的3 g p p ( 第三代伙伴项目) 极大地推动了w c d m a 技术的发展，加快了w c d m a 的标准化进程，并最终使 w c d m a 技术成为i t u 批准的国际通信标准。w c d m a 标 准在发展中形成了r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 、r 7 等版本，其中r 9 9 、r 4 、r 5 版本己分别 于1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 1 年3 月和2 0 0 2 年3 月推出r 6 版本也于2 0 0 5 年1 2 月推出，r 7 版 本仍在讨论中。r 9 9 版本比较成熟，核心网仍然沿用了g s mm a p ( m o b i l e a p p l i c a t i o np a r t ) 标准，充分考虑了对现有g s m 网络的向下兼容及投资保护，目前 的商业部署几乎全部采用r 9 9 ，相比r 9 9 版本，r 4 版本无线接入部分只改动了一些 接口协议的特性，相应功能得到增强，网络结构没有改变。r 4 版本核心网部分改 变比较大：由t d m ( 时分复用) 的中心节点交换型结构演进为典型的a t m 分组语 _ _ | 第一章绪论 3 音分布式体系结构；网络采用开放式结构，业务逻辑与底层承载相分离；u t r a n 与核心网语音承载方式均由分组方式实现；语音采用统计复用方式传递，实现网 络带宽动态分配，避免t d m 扩容时需反复调配2 m b i t s 电路的繁琐程序。 随着2 0 0 4 年全球w c d m a 市场大规模地启动，r 9 9 和r 4 版本的w c d m a 在数据 传输速率上的不足逐渐显露了出来。通常情况下，单个w c d m a 用户的下行传输 速率仅达至l j 3 8 4 k b i v s ，和人们设想中的3 g 相差甚远。另一方面，近年来移动数据 业务快速发展也对移动网数据传输能力提出更高的要求，总之，单靠r 9 9 ，r 4 版本 的w c d m a 已经不能满足用户的需求。此外，来自c d m a 2 0 0 0 f 1 t j 式的增强型技术 1 x e v 的压力也是w c d m a 增强型技术发展的一个驱动力。h s d p a 和h s 狻正是在 这种形势下应运而生的。r 5 版本是全i p ( 或全分组化) 的第一个版本，引入了i p 传输作为a t m 外的第二种可选传输机制，并在无线部分引入了h s d p a ( 高速下行 分组接入) 的概念，使下行链路可以支持高达1 0 m b i t s ( 理论峰值1 4 4 m b i t s ) 的 传输速率；另外，其核心网增加了i m s ( i p 多媒体子系统) 。r 6 版本在2 0 0 5 年1 2 也 已经正式发布，无线接入部分主要引入了h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 的技术。r 7 版本中将主要引入正交频分复用( o f d m ) 和多入多出( m i m o ) 技术。 1 2h s u p a 技术的背景和现状 3 g p p 从r 5 开始，重点对w c d m a 技术下行( 基站到手机方向) 数据传输的性 能进行改良，从而产生了高速下行分组接入( h s d p a ) 技术。h s d p a 的主要目标 是提高用户峰值数据速率、小区吞吐量、服务质量，改善下行分组数据业务的频 谱效率。但是，在r 5 业务中上行( 手机到基站方向) 数据传输能力并没有提升， 上行方向上的容量和服务质量仍然存在限制，导致w c d m a 网络难以开展许多新 兴基于p 分组网提供的高速多媒体业务，如上传图像数据、需要快速响应模式的 网络游戏等业务。 为突破这些限制，上行方向需要提高小区吞吐量和高速数据速率覆盖，同时 改善突发业务的服务质量，以提高无线资源利用率。因此，在r e l e a s e6 的3 g p p 规 范中，高速上行分组接入( h s u p a ，h i 【g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 技术的引入 就是为了实现以上这些目标。h s u p a 的主要技术需求包括【3 】： 业务方面：改善上行方向高速率数据传输的可用性，目标是获得更接近于 w l a n a d s l 的性能。为服务新兴数据业务( 如上行视频流、上传数据、网络游戏 等) ，h s u p a 可提供更高的上行数据速率和更低的时延。此外，作为下行h s d p a 增强技术在上行方向的对应技术，h s u p a 也是高速数据传输技术发展下一步演进 方案。 运营商方面：通过h s u p a ，运营商可以进一步改善上行i u b 传输资源、基带硬 4 w c d m ah s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 件和无线资源的利用率，同时改善高数据速率和高小区数据吞吐量的覆盖范围。 标准化方面：h s d p a 在3 g p pr e l e a s e5 中制订了下行规范，下一个步骤必然是 在r e l e a s e6 中制订上行规范。图1 2 表明了h s u p a 的发展状况。 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 2 0 0 5 年 2 0 0 6 年 2 0 0 7 年 图1 2h s u p a 协议发展历程 h s u p a 研究的主要目的有： l 、改良上行覆盖和容量； 2 、减小传输时延； 3 、有效控制上行噪音功率抬升和负荷。 主要在以下几个课题进行研究和讨论： 1 、自适应调制编码； 2 、上行h a r q 的应用； 3 、n o d eb 控制上行调度； 4 、更短的帧结构； 5 、快速d c h 建立。 同时对以上研究提出了一定的技术要求和应用限制： l 、适合于市区，郊区，和农村的全面覆盖，达到全面移动的要求，对低速移 动环境进一步优化； 2 、集中在s t r e a m i n g ，i n t e r a c t i v e 和b a c k g r o u n d 类业务； 3 、对r 9 9 ，r 4 ，r 5 的终端需要后兼容。 3 g p p 在2 0 0 4 年3 月形成的最终研究成果和建议中，并不包括较高阶调制和快速 d c h 建立所带来的增益，认为使用现有h s u p a 标准的3 项主要技术，h a r q 软合 并、n o d eb 调度机制和较短帧格式会得到以下增益： l 、5 0 7 0 的上行容量增益； 2 、数据呼叫时延减少2 0 5 5 ； 3 、用于上行平均数据呼叫的数率可提高大概5 0 。 以r a n 2 j , 组为牵头，3 g p p 对h s u p a 将进行进一步研究，主要工作包括物理 第一章绪论 5 层( r a n l ) ，数据链路层和网络层协议( r a n 2 ) ，i u b i u r 协议( r a n 3 ) 和r f 发 射与接收，以及系统性能需求和一致性测试( r a n 4 ) 等。第一版h s u p a 规范于2 0 0 4 年1 2 月出版，实际工作项目于2 0 0 5 年3 月已经完成。 1 3 本文研究的主要内容 w c d m a h s u p a 技术中采用较小的扩频因子进行上行物理信道扩频，由于扰 码的部分自相关性不理想，如果采用w c d m a r 9 9 技术中的传统r a k e 接收机算 法，则不能满足系统性能的要求。本文围绕w c d m a 基站基带处理系统的研发中 对这一问题的提出，在讨论w c d m a r 9 9 中传统r a k e 接收机的实现算法基础上， 在不改变r a k e 接收机结构和算法复杂度的情况下，对其进行相应的改进。 第一章概述了w c d m a 技术特征和发展现状，引出了h s u p a 技术提出的技 术背景，介绍了当前h s u p a 技术的发展进程；最后介绍了本文的内容安排。 第二章介绍了无线移动通信环境及r a k e 接收机的原理。该章在关于无线移 动环境的内容中，首先介绍了移动通信信道的特点，介绍移动通信信号在传播过 程中可能经历的损耗或衰落及w c d m a 通信系统中的主要干扰；然后介绍了分集 抗衰落技术，包括分集基本概念以及分集合并准则，然后介绍时域分集技术 _ ra k e 接收，以及眦接收机原理及实现。 第三章详细探讨了w c d m ar 9 9 技术中采用的传统r a k e 接收机的实现算 法。介绍了w c d m a r 9 9 中上行专用物理信道模型和信道结构；给出了w c d m a r 9 9 中上行r a k e 接收机设计框图，详细讨论了s i r 估计、信道估计、多径合并 在w c d m ar 9 9 上行r a k e 接收机中的实现算法；推导了信道估计和补偿算法在 w c d m ar 9 9 中的实现公式；对w c d m ar 9 9 信道估计算法中的单时隙平均算法 和多时隙加权平均算法在不同的信道环境下进行仿真分析；最后推导了最大比合 并算法在w c d m a r 9 9 中的实现公式。 第四章介绍了h s u p a 的上下行物理层模型及物理信道帧结构，针对h s u p a 业务中的小扩频因子，改进了信道中干扰估计的方法，并采用了将干扰抵消与 r a k e 接收机相结合的i c r a k e 接收机。在不同的信道环境下对i c r a k e 接收 机算法进行仿真分析。 第二章无线移动环境与w c d m a 系统的r a k e 接收 7 第二章无线移动环境与w c d m a 系统的r a k e 接收 2 1 无线移动通信信道 移动通信信道属于无线信道，它既不同与传统的有线信道，也与一般的固定 接入无线信道有所区别。有线信道是恒定参数的信道，是人为制造的信道，它从 一开始的明线发展到同轴电缆，一直到如今由光纤组成的光缆线，通信容量越来 越大，通信质量也越来越高，而且随着科学技术的进步，它将逐步趋向最理想的 传输信息信道。然而无线信道却不然，它是开放式的、客观存在的变参量信道， 人们只能在充分分析研究其特性的基础上去适应并改造它。移动通信信道是无线 信道的一个子类，它不仅具有所有无线信道的特点，而且还具有通信用户随机移 动性的新特点。 2 1 1 移动通信信道的主要特点 信道是信号的传输媒质，概括来说，移动通信信道的主要特点包括【4 】： 1 、传输信道的开放性； 2 、接收点地理环境的复杂性和多样性； 3 、移动台的随机移动性。 2 1 2 移动通信电磁波传播的特点 由于空间环境的复杂，无线电波在空间中传播的方式也有多种：直射波、多 径反射波、绕射波以及散射波。它们分别具有如下特剧4 】： l 、直射波：指在视距覆盖内无遮挡的传播，其信号最强； 2 、多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号， 其信号强度次之； 3 、绕射波：从较大的山区或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与 反射波相当； 4 、散射波：空气中离子受激后电波产生二次发射，经过由二次发射所引起的 慢反射后到达接收点的传播信号，称为散射波，其信号强度最弱。 2 1 3 移动通信信号传播的损耗及三种效应 由于移动通信信道及电磁波在空间中传播的特点，导致了信号在传播过程中 8w c d m a h s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 会产生三种主要的损耗，而在接收点则产生三种效应p j 。 自由空间的路径损失( 传输损失) ：它是指电波在自由空间传播所产生的损耗， 是移动台与基站之间距离的函数，它描述的是大尺度区间( 数百或数千米) 内接 收信号强度随发射机到接收机的距离而变化的特性。 阴影衰落( 慢衰落) ：是由传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电 波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电 平中值的慢变化特性。大量的统计测试数据表明，信号电平中值的变化比较缓慢， 其衰落周期以秒级记，这也是阴影衰落称为慢衰落的涵义。阴影衰落近似服从对 数正态分布，即它是以分贝数表示的信号电平分布。 多径衰落( 快衰落) ：是由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落，它描述 的是小尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性。 多径衰落一般服从瑞利分布或莱斯分布，其衰落周期比阴影衰落小，即变化率大， 故又称快衰落。对于多径衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落( 角度扩展) ， 频率选择性衰落( 时延扩展) 和时间选择性衰落( 多普勒扩展) 。所谓选择性是指 在不同的空间，不同的频率与不同的时间上，信号的衰落特性不同。 2 2 三类主要选择性衰落 2 2 1 选择性衰落的类型 对无线移动通信的信号接收而言，其相位特性是由衰落过程中的频域特性、 时域特性和空域特性刻画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和 角度扩展有关。 1 、时间选择性衰落( 多普勒扩展) 所谓时间选择性衰落，即在不同的时间，衰落特性不同； 2 、频率选择性衰落( 时延扩展) 所谓频率选择性衰落，即在不同的频率上，衰落特性不同； 3 、空间选择性衰落( 角度扩展) 所谓空间选择性衰落，即在不同的地点( 空间) 上，衰落特性不同。 2 2 2 选择性衰落的产生 在实际的移动通信环境中，上述三类选择性衰落都是存在的，它们的形成原 因都是由于多径传播所引起的，但各自的产生条件不同。本文中主要介绍时间选 择性衰落( 多普勒频移) 。 由于移动用户与基站之间的相对运动，导致每个多径波都会有一个明显的频 第二章无线移动环境与w c d m a 系统的r a k e 接收 9 率偏移，其特点是在信号的频域上产生多普勒扩散。这种由运动引起的接收信号 频率的偏移称为多普勒频移，它与移动用户的运动速度成正比。 如上所述，多普勒扩展仃d ( d o p p l e rs p r e a d ) 是一种由多普勒频移现象引起的 频率扩散，它可以用信道的相干时间( c o h e r e n c et i m e ) 来表征。相干时间l ；就 是两个瞬时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。 在移动通信中，相干时间乇。由下式给出： = 考= 寺 ( 2 式中，c 为光速：v 为移动用户的速度；疋为载波频率；丘= v a 为最大多普 勒频移，即多普勒扩展仃n 。 如式( 2 1 ) 所示，相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道随时间变化快慢 的一个测度：相干时间越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越 快。由于多普勒扩展与相干时间有关，所以从衰落的角度来看，多普勒扩展引起 的衰落与时间有关，故称之为时间选择性衰落。根据随时间变化的快慢，多普勒 扩展有快衰落和慢衰落之分。若基带信号带宽比多普勒扩展盯。大，则称为快衰落， 反之为慢衰落；若基带信号带宽比多普勒扩展仃大的多，则多普勒扩展的作用在 接收端可以忽略不计。 2 3 移动通信的多址技术和扩频通信系统 在许多不同的通信应用中，常要求一个共同的发射媒介能够被许多用户共享。 现在，多址通信已经广泛应用于我们的日常生活中。所谓多址通信，就是允许多 个用户同时共享一定的无线电频谱的一种通信方式。在本节中，我们首先讨论一 般的多址通信技术，再重点讨论w c d m a 扩频通信系统。 2 3 1 移动通信的多址技术 由于用户在不断的随机移动，建立它们之间的通信，首先必须引入区分与识 别动态用户的多址技术。 多址技术实质上是对信号的正交划分与设计， ( i - 1 ，2 ，n ) 的划分来实现的。 l 、在发送端： 设计一组相互正交的信号参量： x ( f ) = 以宰五( f ) 】 i = l 具体是通过信号的正交参量五 ( 2 2 ) 1 0w c d m ah s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 其中，五( f ) 为第i 个用户地址的信号，五为第i 个用户信号墨( f ) 的正交参量。 式( 2 3 ) 是理论上的表达式，即正交参量应当满足( 式中表示内积或点积) ： = 骺；二歹j 像3 ， 2 、在接收端： 设计一个正交信号识别器如图2 1 所示。 ， 乃置 l i 置( f ) w r e ni f f i j 0w h e ni j 图2 1 正交信号识别器原理图 信息论中著名的s h a n n o n 公式指出，信道容量c = b l o g ：( 1 + s ) 。其中曰为 限频带宽，s 为信噪比，c 为信道容量。这一公式表明，对于一个限频( b ) 限功率( s ) 的连续高斯白噪声信道而言，其信道容量可形象地用两个主要信号参 量所决定的面积来表示，如图2 2 所示： 图2 2 信道容量c 不慈图 由图2 2 可知，参量曰和s 构成了信道容量c 的面积。这表明在信道容量c 需要维持不变时，这两个变量具有“可塑性”，即两者之间可以互换。这一辩证关系 为众多新型通信体制的建立打开了创新之门。扩频通信就是其中一个较典型的例 子。 在移动通信中，信噪比是最主要的矛盾，很多新技术的实质就是为了提高信 噪比。s h a n n o n 公式指出：可以利用频带艿来换取信噪比，即在维持c 不变的情况 下，增加频带口可以降低接收机的信噪比门限值l o g ：( 1 + s 忉。这就是扩频通信 的基本原理，即牺牲频带来换取信噪比。 第二章无线移动环境与w c d m a 系统的r a k e 接收 1 1 2 3 2w c d m a 扩频通信系统的主要优点 1 、抗干扰能力强。对于数据通信系统来说利6 】： 叫熹( 2 - 4 ) 由式( 2 - 4 ) 可以看出，误码率与信噪比s n 和信号基本参数频带曰。且维 持不变时，( s 忉o c ( 1 曰) 。对于扩频通信来说，带宽曰一般很大，所以在一定 的p e 条件下，可以实现在很低的s 信道环境下进行通信，即允许信道中存在很 强的干扰。 2 、保密性很强。扩频后其频谱均近似为白噪声，因此具有很好的保密性能。 并且还可以进一步进行数字式用户加密。 3 、低功率谱密度。由于扩频通信系统属于宽带通信系统，频带越宽，功率谱 密度就越低，因此它对其它通信系统及对人体的影响越就小。 4 、易于实现大容量多址通信。在w c d m a 系统中，从理论上来说，只要能 产生越多的伪随机序列，就可以在小区中容纳越多的用户。但是，在实际中使用 的伪随机序列并不是完全正交，也就是说，实际中使用的伪随机序列并不完全满 足式( 2 3 ) 的正交性，因此整个系统的性能会随着用户的增加而降低。但是，它 仍比传统的f d m a 或t d m a 系统的用户容纳量大许多。 5 、适合参与随参信道的无线移动通信系统，易于实现多种形式的分集接收并 提高系统的抗干扰性能。例如，易于采用r a k e 接收机方式接收信号。 2 3 3w c d m a 系统的r a k e 接收机 在w c d m a 通信系统中，多径传播有负面影响，也有正面影响。一方面，多 径传播会引发与t d m a 系统中的码间干扰类似的路径间干扰；而另一方面，独立 衰落的各个路径却可能是分集的一个有用资源。 对于负面影响造成严重的传输误码时，就需要采取对抗衰落的措施。当衰落 很慢时，可以用某种反馈式功率控制来跟踪衰落，如w c d m a 系统中采用的闭环 功率控制技术。然而当衰落较快时，特别是对于高速行驶的车辆来说，功率控制 就起不到明显的作用了。 为了降低衰落对通信系统的影响，一方面，我们可以采用信道补偿技术在一 定程度上减小衰落的影响；另一方面，我们还可以对接收到的多径信息进行合并 处理以降低多径传播带来的负面影响。 1 2w c d m ah s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 2 4 分集技术 分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下信号传 输的可靠性。其中空间分集早期已经成功的应用于模拟短波通信。在移动通信中， 特别是数字式移动通信和第三代移动通信中，分集技术有了更加广泛的应用：在 移动通信的上行链路中，基站广泛采用二重空间分集接收，在i s 9 5 的c d m a 小 区切换中也利用r a k e 进行二重空间分集接收，而在基站，对于第三代移动通信 系统来说，不论是w c d m a 还是c d m a 2 0 0 0 都采用了发端分集技术。 2 4 1 分集技术 分集技术是研究如何充分利用传输中多径信号的能量来改善传输的性能。它 也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收 集起来的技术。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、频 域和时域的不同角度、不同方法与措施来加以实现。其中最主要的有如下几种： 1 、空间分集 空间分集技术利用不同接收地点( 空间) 收到的信号其衰落相互独立的特点， 实现抗衰落功能。对于不同接收地点的天线之间的距离d ，如果有d a 妒，其中 允为波长，9 为天线扩散角，3 , 妒即为相干距离。对于空间分集来说，分集天线 数n 越大，分集效果就越好。分集增益正比于分集数量n ，但改善是有限的，随 着分集数量n 的增益，改善程度逐步减小。工程上一般取n = 2 - - - 4 【4 j 。 空间分集还有两类变化形式：极化分集和角度分集。 极化分集：由于同一地点两个极化方向相互正交的天线发送的信号，其衰 落特性是不相关的，对此进行分集接收的技术就是极化分集。即在发送端天线上 安装水平与垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化 分集。 角度分集：由于地形、地貌和建筑物等接收环境的不同，到达接收端的不 同路径信号可能来自不同的方向，这样在接收端可采用定向天线，分别指向不同 的到达方向，而各定向天线接收到的多径信号则是不相关的。 2 、频率分集 将待发送的信号，分别调制在不同的载波上进行发送，只要不同载波之间的 频率间隔a f ( a f 不小于相干带宽) 足够大，即可进行频率分集。频率分集与空间 分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数量；缺点是要占用更多的频 谱资源，并且在发送端可能要采用多部发射机。 3 、时间分集 第二章无线移动环境与w c d m a 系统的r a k e 接收 1 3 对于一个随机衰落的信号而言，当取样时间间隔足够大时，两个取样点间的 衰落是不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。当发送端将待发送的信号每 隔一定时间间隔t ( t 不小于相干时间) 重复发送时，接收端就可以得到多条 独立的分集支路，从而进行时间分集接收。相比于空间分集，时间分集减少了接 收天线的数目，但占用了更多的时隙资源，从而降低了传输效率。 2 4 2 分集合并技术 分集接收中，对于接收端从不同的分集支路所获得的信号，可以采用不同形 式的合并技术来获得分集增益。合并时采用的准则与方式主要可分为三种：选择 式合并( s d ) 、等增益合并( e g c ) 和最大比合并( m r c ) 。 1 、选择式合并( s d ) 选择式合并技术就是在接收端的n 个分集支路中选择出性能最好的一条支路 作为输出，可见其输出信噪比为是多条传播路径中性能相对好的一条。显然，选 择式合并技术简单、易于实现，但是其性能差。 2 、等增益合并( e g c ) 等增益合并技术就是在接收端将各支路的信号同相化后进行加权系数为1 的 合并。这种合并使得接收机能够利用各个支路同时接收到的信号，并保持了从一 组不可能接受的输入产生一个可接受输出的可能性。由于等增益合并方式利用了 接收到的所有的接收信号，因此其性能一般优于选择式合并。但是当接收的各支 路中只存在一路较强的信号，而其它支路的信噪比都很低时，等增益合并的性能 反而会低于选择式合并。 3 、最大比合并( m g c ) 最大比合并是对所有分集支路的信号根据各自的信噪比进行加权。各路信号 在求和之前先进行同相化，然后对每个支路按照其信噪比进行加权，最大比合并 产生的输出信噪比等于各支路信噪比之和【5 】。因此这种分集具有以下优点：即使没 有任何一路信号是可以接受的，它仍然能够得到可以接受的信噪比产生一个输出。 但是由于要计算各支路的信噪比，因而它的算法复杂度要比其它两种算法的复杂 度高。 2 。5ra k e 接收的工作原理 r a k e 接收机是由p r i c e 与g r e e n 于1 9 5 8 年提出来的，它将其他用户的信号 作为干扰来对待，并设想为高斯白噪声，其结构框图如图2 3 所示。由图2 3 可以 看到，在r a k e 接收机中包含多个相关器，每一个相关器都与接收到的多径信号 1 4w c d m a h s u p a 业务上行接收机中信道估计与多径合并技术研究 分支相同步。假设采用m 个相关器去接收m 个多径信号分支，其中，口：， 口，是每一条分支的乘性系数，它们的取值是根据所采用组合方式( 例如最大比合 并、等增益合并等等) 而可调的。可令相关器1 与最强的多径支路聊，同步，并且 多径支路m 。比多径支路m 。延迟时间瓦到达接收端。相关器2 与多径支路m ，同步， 它与多径支路m 具有很好的相关性，但与多径支路i n , 的相关性则很差。依次类推， 第m 个相关器与比m 时延f 的多径分量m ，相关性很强，但与现，m ， 掰等多径分量相关性则很差。值得注意的是如果在接收机中只使用一条相关器 分支，一旦该输出信号受到衰落的影响，那么接收机则不能正确地检测到信号， 从而会导致较高的误码率。而在r a k e 接收机中，即使一条多径分支受到衰落的 影响，还会有其它没有受到衰落的信号分支，此时只需对被衰落污染的信号分支 加一个很小的权系数，那么就可以将该路干扰抑制。r a k e 接收机给出的基于m 个判决统计量的组合实际上是一种分集接收的形式，分集接收可以克服衰落，从 而改善c d m a 系统的接收质量。 图2 3w c d m a 系统的r a k e 接收机 第三章w c d m ar 9 9 中上行r a k e 接收实现算法研究与仿真 1 5 第三章w c d m ar 9 9 中上行r a k e 接收算法研究与仿真 本文对h s u p a 技术中上行接收算法的研究是在w c d m ar 9 9 的上行r a k e 接收机结构和算法基础上进行的。因此，本章节讨论了w c d m ar 9 9 上行r a k e 接收机算法，对r a k e 接收机算法中的一些关键参数进行分析仿真。 3 1w c d m ar 9 9 上行专用物理信道及上行基带信号模型 3 1 1 上行专用物理信道模型 在3 g p p1 t 9 9 中有两种上行专用物理信道，上行专用物理数据信道( 上行 d p d c h ) 和上行专用物理控制信道( 上行d p c c h ) 。 c d 1p d 图3 1 上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 扩频加扰模型 图3 1 描述了上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 的扩频、复用和加扰 模型。用于扩频的二进制d p c c h 和d p d c h 信道用实数序列表示，也就是说二